Ingeniører giver bløde robotter et hjerte

Et samarbejdende hold af forskere fra Cornell og U.S. Army Research Laboratory har brugt hydrodynamiske og magnetiske kræfter til at drive en gummiagtig og deformérbar pumpe, der giver bløde robotter et cirkulationssystem. Dette system efterligner biologien hos dyr i naturen. 

Artiklen med titlen “Magnetohydrodynamic Levitation for High-Performance Flexible Pumps” blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences. 

Livagtige maskiner

Rob Shepherd er lektor i mekanisk og rumfartsingeniørvidenskab på College of Engineering. Han ledte holdet af forskere på Cornell sammen med førsteforfatter Yoav Matia.

“Disse distribuerede bløde pumper fungerer meget mere som menneskehjerter og de arterier, som blodet føres gennem,” sagde Shepherd. “Vores gruppe har tidligere offentliggjort forskning om robotblod, og nu har vi robot-hjerter. Kombinationen af de to vil gøre mere livagtige maskiner.”

Organic Robotics Lab ledet af Shepherd har tidligere brugt bløde materialekompositter til at designe en bred vifte af teknologier, såsom en strækbar sensorhud og forbrændingsdrevne punktskriftsskærme og tøj, der overvåger atletisk præstation. De har også udviklet bløde robotter, der kan gå, kravle, svømme og svede. Ifølge holdet kunne mange af disse skabelser anvendes i områderne patientpleje og rehabilitering. 

Opbygning af cirkulationssystemet

Bløde robotter kræver et cirkulationssystem til at lagre energi og drive deres lemmer og bevægelser, hvilket giver dem mulighed for at udføre komplekse opgaver. 

Den nyligt udviklede elastomer-pumpe består af et blødt silikonerør med trådspoler kaldet solenoider. Disse solenoider er placeret rundt om elastomerpumpens ydre overflade, og huller mellem spolerne giver tuben mulighed for at bøje og strække sig. Inden i tuben er der en fast kerne-magnet omgivet af magnetorheologisk væske, der stivner, når den udsættes for et magnetfelt. Dette holder kernen centreret og danner en tætning på samme tid. Ved at anvende det magnetiske felt på forskellige måder kan kernen flyttes frem og tilbage for at skubbe væsker som vand og lav-viskøse olier fremad med kontinuerlig kraft. 

Shepherd fungerede som en af forskningens seniorforfattere sammen med Nathan Lazarus fra U.S. Army Research Laboratory. 

“Vi opererer ved tryk og flow-rater, der er 100 gange højere end hvad der er gjort i andre bløde pumper,” sagde Shepherd. “I sammenligning med stive pumper er vi stadig omkring 10 gange lavere i ydelse. Så det betyder, at vi ikke kan skubbe meget viskøse olier ved meget høje flow-rater.”

Forskerne udførte et eksperiment for at demonstrere, at pumpe-systemet kan opretholde en kontinuerlig ydelse under store deformationer. De sporede også ydelsesparametrene for at sikre, at fremtidige iterationer kan tilpasses til robotterne. 

“Vi mente, det var vigtigt at have skaleringsrelationer for alle pumpens parametre, så vi kan vide, hvordan vi skal justere pumperne for den ydelse, vi ønsker, når vi designer noget nyt med forskellige rør-diametre og -længder,” sagde Shepherd.